鋁鎂硅合金焊接工藝研究

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(1.佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002；2.佳木斯防爆電機(jī)研究所，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

鋁及鋁合金具有獨(dú)特的物理化學(xué)性能，密度小，電阻率小，具有優(yōu)異的低溫性能和耐蝕性能以及較高的比強(qiáng)度(強(qiáng)度/密度)。電機(jī)轉(zhuǎn)子制造中用銅量很大，價(jià)格昂貴，如果銅條轉(zhuǎn)子改為鋁合金，則可以大幅降低電機(jī)成本，同時(shí)也可以節(jié)省銅資源。經(jīng)測(cè)算，鋁合金端環(huán)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子比銅端環(huán)節(jié)約一半以上的成本，因此鋁合金轉(zhuǎn)子端環(huán)及導(dǎo)條在電機(jī)中的應(yīng)用是一個(gè)研究方向，鋁合金轉(zhuǎn)子端環(huán)與導(dǎo)條焊接工藝是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。本文主要對(duì)6082鋁鎂硅合金的焊接工藝進(jìn)行分析。

1 焊接可行性分析

1.1 鋁、鋁合金、銅的性能比較

鋁、鋁合金及銅從性能上進(jìn)行比較，鋁合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及電阻率都比鋁及銅大，但銅的延伸率要比鋁及鋁合金大，具體性能比較見表1。

表1 鋁、鋁合金、銅的性能比較

1.2 6082鋁合金焊接性分析

鋁合金具有獨(dú)特的物理化學(xué)性能,因此在焊接過程中會(huì)產(chǎn)生一系列的困難,主要有以下幾點(diǎn)。

1.2.1 強(qiáng)的氧化能力

鋁與氧的親和力很強(qiáng),為保證焊接質(zhì)量,焊前必須嚴(yán)格清理焊件表面的氧化物,并防止在焊接過程中再氧化。為了保證焊接質(zhì)量,焊前必須嚴(yán)格清理零件表面的氧化物,并防止在焊接過程中再氧化,對(duì)熔化金屬和處于高溫下的金屬進(jìn)行有效的保護(hù)。

1.2.2 鋁的熱導(dǎo)率和比熱

鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)大，導(dǎo)熱快，須采用能量集中、功率大的熱源，對(duì)于較厚部件需采用預(yù)熱措施。

1.2.3 容易形成氣孔

鋁合金的液體熔池很容易吸收氣體，在高溫下熔入的大量氣體，在由液態(tài)凝固時(shí)，熔解度急劇下降，在焊后冷卻凝固過程中來不及析出，而聚集在焊縫中形成氣孔。

1.2.4 焊接接頭容易軟化

6082為熱處理強(qiáng)化鋁合金，由于焊接熱的影響，焊接接頭熱影響區(qū)會(huì)出現(xiàn)軟化，強(qiáng)度降低。因此應(yīng)采用能量集中的焊接方法和小能量焊接，以減小接頭強(qiáng)度降低。

1.2.5 熔化后無色澤變化

鋁及鋁合金焊接時(shí)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，沒有明顯的顏色變化，因此需掌握好焊接時(shí)的加熱溫度，盡量用平焊的方法焊接。

2 試驗(yàn)材料化學(xué)成分

本次試驗(yàn)時(shí)母材采用6082鋁鎂硅合金鍛件，這種鋁合金母材原始供貨狀態(tài)為鑄錠，經(jīng)過鍛打，去除鑄錠中心的疏松部分，其化學(xué)成分實(shí)際檢測(cè)值見表2。

表2 母材6082鋁合金化學(xué)成份(%)

本次試驗(yàn)時(shí)選取ER5356和ER4043作為焊接材料，并且在本次試驗(yàn)前對(duì)焊接材料的化學(xué)成分進(jìn)行了檢測(cè)，焊材化學(xué)成分的實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比詳見表3。

表3 焊材化學(xué)成份(%)

3 試驗(yàn)內(nèi)容及試驗(yàn)過程

試驗(yàn)內(nèi)容有小試樣TIG焊、性能試板TIG焊接、性能試板MIG焊、試板做射線檢測(cè)及力學(xué)性能檢測(cè)。

3.1 小試樣TIG焊

先在小塊試樣上進(jìn)行TIG焊試驗(yàn),接頭尺寸見圖1，坡口表面用不銹鋼鋼刷去掉氧化膜，坡口背面襯以紫銅板，銅板上開槽，槽與坡口背面對(duì)齊，先調(diào)整焊接電流至150A，電流極性為交流，由于母材導(dǎo)熱快、不熔化，當(dāng)焊接電流調(diào)整至200A時(shí)，電弧加熱處才熔化，此時(shí)開始填絲，鋁絲直徑為φ3mm,起初鋁絲不熔合，形成一個(gè)小球，待母材溫度繼續(xù)升高之后小球消失，焊絲與母材熔合。

圖1 小試件焊接接頭

為減少熱輸入量，同時(shí)提高焊絲熔合速度，改用脈沖電流做試驗(yàn)，電流峰值調(diào)整到250～300A，基值電流150A，這時(shí)焊接成型明顯改善，但焊接速度有所減慢。

通過小試件焊接得到鋁合金TIG焊的初步經(jīng)驗(yàn)：鋁合金導(dǎo)熱速度遠(yuǎn)大于碳鋼、不銹鋼，在同樣的熱輸入條件下母材不易熔化，因此鋁合金施焊時(shí)需先進(jìn)行預(yù)熱；由于鋁合金的熔點(diǎn)低，焊接速度慢會(huì)使前幾層焊道熔化，導(dǎo)致焊縫塌陷，所以焊接速度及層間溫度不可過高；通過實(shí)際焊接可以發(fā)現(xiàn)焊絲ER4043形成的焊道比ER5356形成的焊道要光亮一些。

3.2 TIG焊接性能試板

為評(píng)定實(shí)際產(chǎn)品的力學(xué)指標(biāo)，TIG焊接性能試板厚度40mm,坡口尺寸依據(jù)TIG焊槍噴嘴的大小設(shè)計(jì)，具體尺寸如圖2所示。焊接方法：打底焊用脈沖TIG焊，峰值電流250～300A，基值電流150A，背面清根用旋轉(zhuǎn)銼及銑床加工，填充及蓋面采用交流電，電流200～250A，氣體流量15L/min。

圖2 TIG焊性能試板接頭

3.3 MIG焊性能試板

試板坡口尺寸與TIG焊相同。焊接參數(shù)：焊絲直徑：Φ1.2；氬氣流量：20L/min；預(yù)熱溫度：100℃；層間溫度：100℃～120℃；電流類型: 直流反接，有脈沖；焊接速度: 0.6m/min；干伸長(zhǎng): 15mm；操作技能要求: 前進(jìn)法，不擺槍，焊槍工作角90°；行走角:20°；電流、電壓:V型坡口，電流為211～235A，電壓為24.4～25.8V;U型坡口電流為208～247A，電壓為24.0～26.2V。

試板焊接前用電動(dòng)鋼絲刷進(jìn)行清理，然后分別進(jìn)行打底、填充及蓋面焊接。

3.4 試件加工及力學(xué)性能測(cè)試

按標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)焊接試板進(jìn)行切削加工，進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，分別取樣對(duì)TIG焊接和MIG焊接試板進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為MIG焊接試板的抗拉強(qiáng)度在215～220 MPa之間，斷裂位置在母材及熔合線處，彎曲試驗(yàn)均合格；TIG焊接試板的抗拉強(qiáng)度在158～160 MPa之間，斷裂位置在熔合線處，彎曲試驗(yàn)有部分試樣不合格。

4 結(jié)語

從試驗(yàn)過程來看，鋁合金導(dǎo)熱速度快，無論用TIG焊還是MIG焊都需預(yù)熱到100℃以上。但TIG焊焊接速度慢，導(dǎo)致工件溫度較高，使接頭熱影響區(qū)容易軟化，而MIG焊焊接速度快，效率高，母材溫度相對(duì)較低，從破壞性檢查來看，厚板MIG焊接頭強(qiáng)度及塑性比TIG焊接頭優(yōu)越。另外鋁合金焊接對(duì)操作者的要求比碳鋼及不銹鋼的難度大，需要一定的培訓(xùn)才能進(jìn)行實(shí)際操作。從力學(xué)性能分析，鋁合金轉(zhuǎn)子接頭強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鑄鋁轉(zhuǎn)子、略高于紫銅轉(zhuǎn)子，但密度是紫銅的1/3，因此其運(yùn)轉(zhuǎn)的力學(xué)可靠性比鑄鋁轉(zhuǎn)子及銅條轉(zhuǎn)子優(yōu)越。

[1] 傅積和，孫玉林. 焊接數(shù)據(jù)資料手冊(cè).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994.6.

[2] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)，焊接手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社,2001.8.

[3] 黃旺福，黃金剛.鋁及鋁合金焊接指南 湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2005.3.